美科学家研发用于应变传感器的聚合导电水凝胶

近年来，柔性智能传感器的发展迅猛，在可穿戴设备、智能器件和人工智能领域逐渐发挥着越来越重要的作用。与基于弹性体的智能传感器不同，利用生物相容性极佳的水凝胶材料本身具有一定的潜在优势，但对于实际的应用，诸如电子皮肤、健康监测器和人机界面来说仍具挑战。具体来说，高含水量的水凝胶，一方面，提供独特和优良的仿生和生物相容性;另一方面，也使得小尺度压力引起的运动/变形无法快速、有效地转换为可测量的电信号。在开发高灵敏度水凝胶应变传感器的过程中，我们通常需要考虑以下三点：1)高拉伸性和优异的导电性，使传感器本身在承受大变形的同时，最大限度地实现从机械变形到电子信号的转换;2)导电水凝胶在受体界面上的强粘附性(避免水凝胶器件的界面脱粘以及传感性能的丧失);3)应变传感器基质应具备良好的生物相容性。

图1. 两性离子水凝胶应变传感器的设计、构筑及传感机理展示。

美国阿克伦大学郑洁教授团队日前提出一种新型的全聚合物导电水凝胶(poly(HEAA-co-SBAA)/PEDOT: PSS)，通过将PEDOT:PSS直接引入两性离子物理网络来构建特殊的半互穿结构，实现优异力学性能、生物相容性和应变传感的有机结合(图1)。由于其内部存在丰富的氢键和静电相互作用，导电水凝胶基质不仅弥补传统两性离子聚合物凝胶的弱机械性能，而且实现超高的拉伸率(4000%~5000%)，快速断裂处修复(2)(图2)。

图2. 两性离子水凝胶的力学性能、切口自愈合性以及在多种无孔固体表面的界面粘附性。

结合水凝胶基质的优异力学性能、高界面粘性和导电性能，两种类型的凝胶传感器(压敏和拉伸应变型)被进一步设计，使其能够稳定地监测人体细微的动作(手指及膝盖弯曲、声音、静态和动态脉搏)、水滴滴落和重物质量，其在低于900%的大应变条件下的灵敏度(GF值)为2.0(图3)。

图3. 两性离子导电水凝胶应变传感器的实际监测性能。

研究者进一步设计了一种有趣的力学感应平台，以期实现应变响应下电信号和力学性能的实时监测，进而探究传感过程与网络结构间的变化关系(图4)。有趣的是，在较低的拉伸速率(20 mm/min)下，研究人员利用该装置在小应变处(~300%)“捕捉”到一个反常现象：拉伸使传感器电阻异常变小。值得注意的是这一现象在快拉伸的过程中并没有发现，证明网络间的相互作用是时间和空间相关的。其可能存在的机理是：由于凝胶的制备过程没有引入化学交联剂，网络间的大量两性离子基团和导电聚合物间的离子相互作用呈现一种游离可逆的物理交联过程;较低的拉伸速率使两性离子网络能够逐渐参与短距离的离子相互作用，优化了电荷转移的导电途径，从而使相对电阻在早期较小的拉伸应变阶段暂时减小。这一反常现象目前在传统的应变传感器未有报道和详细研究。

图4. 力学感应平台的构筑、拉伸诱导电阻异常减小现象及机理展示。

此外，研究还进一步地对比讨论了该两性离子水凝胶基质的生物相容性和防蛋白粘附性能，相关成果日前以“Highly Stretchable, Self-Adhesive, Biocompatible, Conductive Hydrogelsas Fully Polymeric Strain Sensors”为题发表于《J.Mater. Chem. A》，第一作者为张冬。该工作不仅报道了一类可替代传统纳米复合材料或弹性体基的水凝胶应变传感器，在植入性人机交互和医疗监测等领域有一定的潜在应用价值，还提供了一种新策略来实时探究网络形变和实际监测信号变化的相互关系，从而有助于一些实验过程中捕捉到的反常现象的合理解释。